Вижити під колесами. Біологи розкрили секрет міцного екзоскелета жука-броненосця

Екзоскелет Phloeodes diabolicus настільки міцний, що його складно встановити на стенді за допомогою сталевих штифтів, визнали дослідники.

Незважаючи на те, що він не може літати, навички виживання у жука зашкалюють. І вчені використовували набір інструментів, щоб вивчити фізичні і механічні властивості, які надають цій істоті неймовірну силу.

«Броненосний жук — це наземна істота, тому він не легкий і швидкий, він більше схожий на невеликий танк. Це його адаптація: він не може полетіти, тому він просто залишається на місці і дозволяє своїй броні витримувати атаку, поки хижак не здасться», — сказав матеріалознавець Девід Кісайлус з Каліфорнійського університету в Ірвіні.

Автори дослідження провели випробування на стиск сталевою пластиною всього екзоскелета, щоб визначити, скільки тиску може витримати жук, порівнявши результати з іншими видами жуків з того ж регіону.

Подібні жуки змогли витримати середнє пікове навантаження менше 68 Ньютонів. Диявольський броненосний жук, навпаки, міг витримати максимальну силу в 149 Ньютонів, що в 39000 разів перевищує його власну вагу.

Наступним кроком була спроба з’ясувати, як маленький жук виявився здатний на таке. Команда використовувала спектроскопію, сканувальну електронну мікроскопію і комп’ютерну томографію, щоб уважно вивчити тверду оболонку. Вони також провели симуляції і використовували 3D-моделі для перевірки своїх висновків.

Архітектура і склад матеріалів всього екзоскелета пояснюють деяку міцність; але ключ, як з’ясували дослідники, лежав в надкрилах.

У літаючих жуків надкрила — це жорсткі передні крила, які захищають ніжніші задні крила, які комаха використовує для польоту. Оскільки диявольський броненосний жук не літає, його надкрила затверділи ще більше і зчепилися разом уздовж лінії шва, щоб діяти як броня.

Команда виявила, що цей екзоскелет складається з хітину, волокнистого матеріалу, отриманого з глюкози, і білкової матриці. Коли вони порівняли екзоскелет диявольського броненосного жука з екзоскелетом аналогічного жука, вони виявили, що у броненосця було значно більше білка — приблизно на 10 відсотків більше за вагою.

Але лінія шва, по якій зростаються надкрила жука, зрештою зіграла вирішальну роль в його міцності.

«Шовний матеріал діє як мозаїка. Він з'єднує різні частини екзоскелета — шматочки пазла — в черевній порожнині під надкрилами», — сказав матеріалознавець Пабло Заваттьєрі з Університету Пердью.

Замість того, щоб розколотися, як можна було б очікувати від шматочків пазла, мікроструктури всередині екзоскелетних лопатей поступилися місцем розшаруванням.

«Коли ви докладаєте зусилля до шматка пазла, ви очікуєте, що він буде відламаній у найтоншій частині, „шийки“ з'єднання. Але ми не бачимо такого роду катастрофічного розколу у цього виду жуків. Замість цього матеріал надкрила розшаровується, що призводить до більш витонченого руйнування структури», — підкреслив матеріалознавець Девід Кісайлус.

Це відкриття може відкрити шлях до розробки більш міцних матеріалів для вирішення інженерних завдань. Це може привести, наприклад, до створення більш безпечних авіаційних двигунів: дослідники вже створили кріплення авіаційного двигуна з вуглецевого волокна, яке імітує структуру шва диявольського броненосного жука.

Раніше НВ писав, що нідерландські вчені назвали новий вид жука на честь культової англійської групи: Ptomaphagus thebeatles.

Жук був знайдений в Амстердамі в парку Вондела в 2019 році ентомологами-любителями, а досліджували комаху кілька місяців після цього. Комаху виявили під час чергової, відкритої для всіх любителів природи, прогулянки парком Вондела.

Новий представник загону жуків має розміри близько 2 мм і відшукати його було удачею, як відзначають вчені. Біолог Амстердамського вільного університету Йоріс Коен, який входив до складу «експедиції», пояснив, що Ptomaphagus thebeatles був виявлений в тому районі парку Вондела, який знаходиться поблизу готелю Hilton, де з 25 березня по 31 березня 1969 Джон Леннон і Йоко Оно влаштовували «постільний» протест проти війни у В'єтнамі.

Те, що жодного жука раніше не називали на честь The Beatles, досить дивно, адже назва квартету містить в собі гру слів: це суміш англійських beetle (жук) та beat (біт, ритм).